JP7101458B2 - 触感呈示デバイス用トップパネル及び触感呈示デバイス - Google Patents

Description

本発明は、触感呈示デバイス用トップパネル及び触感呈示デバイスに関するものである。

近年、触覚を通じて情報を提供する触感呈示デバイスに対する注目が高まってきている。具体的には、タッチパネルにより人が操作する際に、人が触れたときの触感を変化させることができる触感呈示デバイスが知られている。特許文献１には、一例として、人が触れたときの摩擦力を変化させる触感呈示デバイスが開示されている。この触感呈示デバイスは、人に触れられる部分であるトップパネルを有する。トップパネルに超音波を印加することにより、触感を変化させている。

特開２０１５－１８１０６８号公報

本発明者らは、特許文献１に記載されているような触感呈示デバイスでは、アクチュエータからの振動が減衰し、振動を指に十分に伝えられない場合があり、それによって触感の表現の幅の広さが不十分となる場合があることを見出した。

本発明の目的は、触感の表現力を高めることができる、触感呈示デバイス用トップパネル及び触感呈示デバイスを提供することにある。

本発明の触感呈示デバイス用トップパネルは、触感呈示デバイスに用いられる触感呈示デバイス用トップパネルであって、内部摩擦が、１．０×１０^－２以下であることを特徴としている。

本発明においては、内部摩擦が、５．０×１０^－３以下であることが好ましい。

本発明の触感呈示デバイス用トップパネルは、ガラスからなっていてもよい。

本発明の触感呈示デバイス用トップパネルは、透明であってもよい。

本発明の触感呈示デバイスは、上記本発明の触感呈示デバイス用トップパネルと、触感呈示デバイス用トップパネルに超音波を印加するアクチュエータとを備えることを特徴としている。

本発明によれば、触感の表現力を高めることができる、触感呈示デバイス用トップパネル及び触感呈示デバイスを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る触感呈示デバイスを示す模式的断面図である。 内部摩擦の測定方法の一例を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態に係る触感呈示デバイスの変形例を示す模式的断面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る触感呈示デバイスを示す模式的断面図である。図１に示すように、本実施形態の触感呈示デバイス１０は、開口部２ａを有する筐体２と、開口部２ａを封止しているトップパネル１と、トップパネル１に接触するように設けられているアクチュエータ５とを備える。トップパネル１は本発明の一実施形態に係る触感呈示デバイス用トップパネルである。アクチュエータ５は、トップパネル１に超音波を印加する圧電素子である。

触感呈示デバイス１０は、筐体２内に設けられているディスプレイ３と、ディスプレイ３上に設けられているタッチセンサ４とをさらに備える。本実施形態では、トップパネル１は透明なガラスからなり、タッチセンサ４は光を透過させるタッチパネルである。

トップパネル１は、触感呈示デバイス１０の外側（ユーザー側）に位置する外側主面１ａを有する。触感呈示デバイス１０は、外側主面１ａの触感が変化するデバイスである。より具体的には、外側主面１ａの摩擦力が変化する。例えば、人が指を外側主面１ａ上において滑らせたとき、その部分にアクチュエータ５によって超音波が印加されると、指は振動する外側主面１ａにより突き上げられる。それによって、指と外側主面１ａとの間の摩擦力が小さくなる。

触感呈示デバイス１０は、アクチュエータ５によりトップパネル１に超音波を印加する位置や振幅を制御する振動制御部（図示せず）と、ディスプレイ３に表示する画像を制御する画像制御部（図示せず）とを有する。振動制御部は、アクチュエータ５、タッチセンサ４及び画像制御部に接続されている。人の指がトップパネル１に触れた際、タッチセンサ４により人の指が触れている位置が検出される。タッチセンサ４から、人の指が触れている位置の位置データが振動制御部に入力される。さらに、画像制御部から、ディスプレイ３に表示される画像に係る位置データ等も振動制御部に入力される。振動制御部は、上記位置データ及びディスプレイ３に表示される画像に応じて、アクチュエータ５によりトップパネル１に超音波を印加する位置や振幅を制御する。

振動制御部により、超音波を印加している部分と印加していない部分とを組み合わせることによって、トップパネル１の外側主面１ａにおける各部分の摩擦力を調整することができる。超音波を印加している部分と印加していない部分とを交互に配置することにより、凹凸感を表現することもできる。あるいは、印加する超音波の振幅が大きい部分と小さい部分とを交互に配置することによっても、凹凸感を表現することができる。それによって、人の指が触れている部分やディスプレイ３に表示された画像に応じて、触感を変化させることができる。

本実施形態の触感呈示デバイス１０においては、トップパネル１の内部摩擦が、１．０×１０^－２以下である。

本発明者らは、トップパネル１の内部摩擦が上記上限値以下である場合、アクチュエータ５からの振動がトップパネル１で減衰し難く、振動を指に確実に伝えることができ、それによって触感の表現力を高めることができることを見出した。

また、本発明においては、アクチュエータ５からの振動を指に確実に伝えることができるので、アクチュエータ５の出力を抑え、省エネルギー化を図ることができる。また、アクチュエータ５の小型化を図ることもできる。

アクチュエータ５からの振動をより一層減衰し難くし、振動を指により一層確実に伝える観点から、トップパネル１の内部摩擦は、好ましくは５．０×１０^－３以下であり、より好ましくは１．０×１０^－３以下である。トップパネル１の内部摩擦の下限値としては特に限定されないが、材料の性質上、例えば、１．０×１０^－４とすることができる。

本発明において、トップパネル１のヤング率は、好ましくは５ＧＰａ以上、より好ましくは１０ＧＰａ以上、さらに好ましくは５０ＧＰａ以上である。トップパネル１のヤング率が上記下限以上である場合、アクチュエータ５からの振動をより一層減衰し難くし、振動を指により一層確実に伝えることができる。また、トップパネル１の機械的強度がより一層向上し、より一層破損（変形）しにくくなる。トップパネル１のヤング率の上限値としては特に限定されないが、材料の性質上、例えば、４７０ＧＰａとすることができる。

本発明において、トップパネル１の内部摩擦及びヤング率は、ＪＩＳ Ｒ１６０２の動的弾性率測定法（曲げ共振法）に準拠して測定することができる。

図２には、内部摩擦の測定方法の一例を説明するためのグラフを示している。内部摩擦は、図２に示す共振周波数ピークの周波数をω_０とし、共振周波数ピークの振幅Ｌの１／√２の振幅（Ｌ／√２）となる周波数をω_１，ω_２としたときに下記式（１）を用いて求めることができる。

内部摩擦＝（ω_２－ω_１）／ω_０ …式（１）

本発明において、トップパネル１の密度は、特に限定されないが、密度が小さいほどアクチュエータの消費エネルギーをより一層低減することができる。そのような観点から、トップパネル１の密度は、好ましくは４．０ｇ／ｃｍ^３以下、より好ましくは３．０ｇ／ｃｍ^３以下である。

なお、本実施形態において、触感呈示デバイス１０のトップパネル１は、ガラスからなる基板である。もっとも、トップパネル１の材料は、内部摩擦が上記上限値以下である限りにおいて特に限定されず、例えば、樹脂やセラミックス等のガラス以外の材料からなっていてもよい。なかでも、トップパネル１の内部摩擦をより一層小さくすることができるので、トップパネル１はガラスにより構成されることが好ましい。

上記ガラスとしては、内部摩擦が上記上限値以下である限りにおいて特に限定されず、例えば、アルカリアルミノホウケイ酸ガラス、無アルカリアルミノホウケイ酸ガラス、アルカリアルミノホウケイ酸塩ガラス、アルカリアルミノケイ酸塩ガラス、石英ガラスなどを用いることができる。なお、上記ガラスは化学強化されていてもよい。上記ガラスを化学強化することにより、内部摩擦をより一層低減することが可能となる。化学強化は、例えば、ガラスを溶融塩に浸漬しイオン交換することによって、ガラスの表面に圧縮層を形成することにより行うことができる。

なお、本発明において、トップパネル１の外側主面１ａに凹凸を形成することにより、摩擦力の変化をより一層効果的に大きくすることができ、触感の表現力をより一層高めることができる。具体的には、トップパネル１の外側主面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は、２ｎｍ以上であることが好ましく、特に５ｎｍ以上であることがより好ましい。それによって、摩擦力の変化をより一層大きくすることができる。

一方で、外側主面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）が大きすぎると、摩擦力の変化がより小さくなる傾向がある。また、外側主面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）が大きいほど、トップパネル１のヘイズがより大きくなる傾向がある。ヘイズが大きすぎる場合には、トップパネル１を通して見る画像に滲みが生じるおそれがある。よって、外側主面１ａの算術平均粗さ（Ｒａ）は、好ましくは８０ｎｍ以下、より好ましくは６０ｎｍ以下、さらに好ましくは４０ｎｍ以下、特に好ましくは３０ｎｍ以下、最も好ましくは２０ｎｍ以下である。それによって、摩擦力の変化をより一層大きくすることができ、また画像の滲みをより一層効果的に抑制することができる。

なお、本明細書における算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３において規定される算術平均粗さ（Ｒａ）を示す。

トップパネル１の外側主面１ａに凹凸を形成する方法としては、ウェットブラスト処理が好ましい。ウェットブラスト処理は、アルミナ等の固体粒子により構成される砥粒と、水等の液体とを均一に撹拌してスラリーとしたものを、高速で元パネル（原板）に噴射することにより行う。上記噴射は、噴射ノズルを用いて行うことができる。噴射ノズルから、圧縮エアと共にスラリーを高速で噴射する。

ウェットブラスト処理においては、高速で噴射されたスラリーが元パネルに衝突した際に、スラリー内の砥粒が元パネルの表面を削ることにより、元パネルの主面に凹凸が形成されることとなる。これにより、外側主面１ａに凹凸が形成されたトップパネル１を得ることができる。

また、本発明において、上記のようなガラスからなるトップパネル１に対してエッチング処理を施すことにより、表面粗さや厚みを変化させてもよい。この場合、エッチングには、例えば、フッ化水素（ＨＦ）ガスまたはフッ化水素酸を用いることができる。

本発明において、トップパネル１のヘイズは１０％以下であることが好ましく、５％以下であることがより好ましく、３％以下であることがさらに好ましい。ヘイズが大きすぎる場合には、トップパネル１を通して見る画像に滲みが生じるおそれがある。

トップパネル１の厚みは０．１ｍｍ～２ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ～１．５ｍｍであることがより好ましい。トップパネル１の厚みが小さすぎると、機械的強度が低下しやすくなる。一方、トップパネル１の厚みが大きすぎると、アクチュエータ５による振動が外側主面１ａに伝わりにくくなり、指と外側主面１ａとの間の摩擦力が大きくなることがある。

本実施形態において、トップパネル１は透明であるが、トップパネル１は透明ではなくともよい。例えば、トップパネル１の外側主面１ａに模様等が付されていてもよい。このような場合には、触感呈示デバイス１０はディスプレイ３を有しなくともよい。この場合、タッチセンサ４は、トップパネル１の外側主面１ａ側とは反対側の面に設けられていればよい。なお、赤外線光学イメージング方式のタッチセンサを用いることも可能である。赤外線光学イメージング方式のタッチセンサは、例えばトップパネル１の外側の筐体２上に配置されるものであり、人の指が触れている位置を三角測量により検出する。

なお、図１に示すように、触感呈示デバイス１０は、複数のアクチュエータ５を有する。より具体的には、触感呈示デバイス１０は、トップパネル１の一方端部付近に接触するように設けられたアクチュエータ５と、他方端部付近に接触するように設けられたアクチュエータ５とを有する。複数のアクチュエータ５は、トップパネル１と筐体２との間に設けられている。なお、アクチュエータ５の配置は上記に限定されず、トップパネル１に超音波を印加することができるように設けられていればよい。アクチュエータ５は少なくとも１つ設けられていればよい。

図３は、本発明の一実施形態に係る触感呈示デバイス用の変形例を示す模式的断面図である。図３に示すように、変形例においては、トップパネル２１上に外層膜２６が設けられている。上記の点以外においては、本変形例の触感呈示デバイス２０は、上記触感呈示デバイス１０と同様の構成を有する。

外層膜２６は、例えば、無機膜である。上記無機膜の材料は、特に限定されないが、例えば、ＳｉＯ_２等を用いることができる。外層膜２６は、例えばトップパネル１の表面を保護する役割を有する。また、外層膜２６の表面に凹凸が形成されていてもよい。

外層膜２６の形成方法は、特に限定されず、例えば、トップパネル２１の外側主面２１ａ上に、シリカ前駆体を含むコーティング剤をスプレーコート法により塗布し加熱することにより形成することができる。加熱温度は、８０℃～２５０℃の範囲内であることが好ましく、１００℃～２３０℃の範囲内であることがより好ましい。

外層膜２６として、反射防止膜、あるいは、指紋の付着等の汚れを防止するための、撥水性や撥油性の防汚膜を形成してもよい。

反射防止膜としては、例えばトップパネル１よりも屈折率が低い低屈折率膜、または、相対的に屈折率が低い低屈折率と相対的に屈折率が高い高屈折率膜とが交互に積層された誘電体多層膜等が用いられる。反射防止膜は、スパッタリング法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；化学気相成長）法等により形成することができる。

防汚膜は、主鎖中にケイ素を含む含フッ素重合体であることが好ましい。含フッ素重合体としては、例えば、－Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ－ユニットを主鎖として有し、かつ、フッ素を含む撥水性の官能基を側鎖として有する重合体を用いることができる。含フッ素重合体は、例えばシラノールの脱水縮合により合成することができる。

反射防止膜と防汚膜の両方を形成する場合は、トップパネル１の外側主面１ａ上に反射防止膜を形成し、さらに反射防止膜上に防汚膜を形成する。

本変形例においても、トップパネル２１の内部摩擦が上記上限値以下であることから、アクチュエータ５からの振動が減衰し難く、振動を指に確実に伝えることができる。そのため、触感呈示デバイス２０においても、触感の表現力を高めることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を挙げることにより、本発明の効果を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１～１２及び比較例１）
表１の実施例１～１２に示す組成を有するガラス板を準備し、トップパネルとして用いた。なお、実施例４では、化学強化されたガラスをトップパネルとして用いた。また、比較例１では、アクリル樹脂をトップパネルとして用いた。

実施例１～１２及び比較例１のトップパネルにおける内部摩擦及びヤング率は、日本テクノプラス社製、ＪＥ－ＲＴ３を使用し、ＪＩＳ Ｒ１６０２の動的弾性率測定法（曲げ共振法）に準拠して測定した。

具体的に、内部摩擦は、共振周波数ピークの周波数をω_０とし、共振周波数ピークの振幅Ｌの１／√２の振幅（Ｌ／√２）となる周波数をω_１，ω_２としたときに、下記式（１）を用いて求めた。

内部摩擦＝（ω_２－ω_１）／ω_０ …式（１）

また、実施例１～１２のガラスの密度は、アルキメデス法により測定した。また、比較例１のアクリル樹脂の密度は水中置換法により測定した。

（滑り易さの官能性評価）
１５０ｍｍ×７８ｍｍ×１ｍｍの大きさの実施例１～１２及び比較例１のトップパネルにおける短辺側の両端にアクチュエータを配置した。アクチュエータによりトップパネルに超音波を印加し、トップパネルを超音波帯の固有振動数において振動させた。この状態において、外側主面において指を滑らせることにより、滑り易さの官能性評価を行った。なお、滑り易さの官能性評価は、以下の評価基準により評価した。評価値の数字が大きいほど、滑り易いことを示している。

＜評価基準＞
５：非常に滑りやすい
４：かなり滑りやすい
３：滑りやすい
２：どちらかといえば滑りやすい
１：どちらともいえない

結果を下記の表１に示す。

表１に示すように、実施例１～１２のトップパネルの内部摩擦は、１．０×１０^－２以下である。これに対して、比較例１における内部摩擦は、１．０×１０^－２より大きい。また、比較例１における超音波印加時の滑り易さは評価値１と小さいが、実施例１～１２における超音波印加時の滑り易さは評価値３以上と大きい。従って、本発明の実施例１～１２においては、トップパネルの内部摩擦が１．０×１０^－２以下と小さく、触感の表現力が高められることがわかる。

また、実施例１～１１のトップパネルの内部摩擦は、５．０×１０^－３以下である。これに対して、実施例１２における内部摩擦は、５．０×１０^－３より大きい。また、実施例１２における超音波印加時の滑り易さが評価値３であるのに対し、実施例１～１１における超音波印加時の滑り易さは評価値４以上とさらに大きい。従って、本発明の実施例１～１１においては、トップパネルの内部摩擦が５．０×１０^－３以下とさらに小さく、触感の表現力がより一層高められることがわかる。

１，２１…トップパネル
１ａ，２１ａ…外側主面
２…筐体
２ａ…開口部
３…ディスプレイ
４…タッチセンサ
５…アクチュエータ
１０，２０…触感呈示デバイス
２６…外層膜

Claims (6)

1. アクチュエータにより超音波を印加する触感呈示デバイスに用いられる触感呈示デバイス用トップパネルであって、
   前記触感呈示デバイス用トップパネルが、ガラスによって構成されており、
   内部摩擦が、１．０×１０^－４以上、１．０×１０^－３以下であり、
   ヤング率が、７７ＧＰａ以上である、触感呈示デバイス用トップパネル。
2. 透明である、請求項１に記載の触感呈示デバイス用トップパネル。
3. 前記触感呈示デバイス用トップパネルが、前記触感呈示デバイスに用いたときに外側に配置される主面を備え、前記主面が凹凸を有する、請求項１又は２に記載の触感呈示デバイス用トップパネル。
4. 前記主面の算術平均粗さ（Ｒａ）が、２ｎｍ以上である、請求項３に記載の触感呈示デバイス用トップパネル。
5. 厚みが、０．１ｍｍ～２ｍｍである、請求項１～４のいずれか１項に記載の触感呈示デバイス用トップパネル。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の触感呈示デバイス用トップパネルと、
   前記触感呈示デバイス用トップパネルに超音波を印加するアクチュエータと、
   を備える、触感呈示デバイス。
   

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